Тренажер для обучения водителя автомобиля

Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля.

Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шумов, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит монитор инструктора, 3D очки механически связанные с датчиками положения линии визирования, группа выходов которого соединена с первой группой входов блока управления 3D очками, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки и со второй группой блока имитации визуальной обстановки, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования, выходы аналоговых датчиков соединены с группой аналоговых входов устройства согласования, цифровая группа входов последнего соединена с выходами дискретных датчиков, а вторая группа выходов устройства согласования соединена со второй группой входов модуля калибровки, третья группа входов модуля моделирования машины соединена со второй группой выходов блока имитации визуальной обстановки, третья группа выходов которого соединена со второй группой входов блока управления 3D очками, первая, вторая и третья группа выходов которого соответственно соединена с группой входов 3D очков, монитора инструктора и четвертым входом блока имитации визуальной обстановки.

Полезная модель относится к техническим средствам обучения вождению транспортных средств, может быть использована для обучения вождению автомобиля.

Известен тренажер для обучения водителей транспортных средств [1], содержащий имитатор визуальной обстановки, выполненный в виде ленты и блока передачи информации, рабочее место с видеоконтрольным блоком, подключенным входом к блоку передачи информации, и с органами управления, связанными с датчиками их положения, модуль моделирования движения машины.

Недостатками указанных аналогов является то, что они очень громоздкие, дорогие и не могут качественно воспроизвести информацию, получаемую водителем в процессе обучения, а также имеют большое количество подвижных механических устройств, снижающих надежность тренажера в целом.

Известен также тренажер для обучения водителей транспортных средств [2], содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума двигателя, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, а первая группа выходов блока имитации визуальной обстановки соединена с группой входов устройства отображения визуальной информации.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является тренажер для обучения вождению автомобиля [3], содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов.

К общим недостатком прототипа и аналогов является

1. Низкое качество отображения визуальной информации, а именно:

1.1. Изображение на мониторе плоское, в реальной жизни водитель воспринимает изображение в объеме.

1.2. Углы обзора ограничены размерами монитора и составляют не более 60 градусов в горизонтальной плоскости и 30 градусов в вертикальной плоскости.

2. В прототипе датчики аналоговых органов управления устанавливаются механическим поворотом потенциометров. В процессе эксплуатации эти потенциометры могут сбиваться, что, в конечном счете, приводит к снижению качества моделирования движения автомобиля.

3. В прототипе параметры дорожно-грунтовых условий заданы постоянно в модуле моделирования движения и не зависят от того «едет» ли обучаемый по асфальтированной дороге или по полю. В результате у водителя не возникает необходимости двигаться по дороге, он может, например, «срезать» поворот, проехав вне дороги и при этом ни какой реакции со стороны автомобиля не будет.

Общим техническим результатом заявляемого технического решения является повышение качества и эффективности обучения за счет устранения указанных недостатков аналогов и прототипа.

Этот технический результат достигается тем, что известный тренажер, содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шума, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит монитор инструктора, 3D очки механически связанные с датчиками положения линии визирования группа выходов которого соединена с первой группой входов блока управления 3D очками, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки и со второй группой блока имитации визуальной обстановки, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования, выходы аналоговых датчиков соединены с группой аналоговых входов устройства согласования, цифровая группа входов последнего соединена с выходами

дискретных датчиков, а вторая группа выходов устройства согласования соединена со второй группой входов модуля калибровки, третья группа входов модуля моделирования машины соединена со второй группой выходов блока имитации визуальной обстановки, третья группа выходов которого соединена со второй группой входов блока управления 3D очками, первая, вторая и третья группа выходов которого соответственно соединена с группой входов 3D очков, монитора инструктора и четвертым входом блока имитации визуальной обстановки.

На фиг.1 изображена схема тренажера.

Тренажер содержит: датчики положения линии визирования 1, 3D очки 5, рабочее место водителя 2 с аналоговыми 6 и дискретными органами управления 4, аналоговыми датчиками 7 и дискретными датчиками 8, акустическую систему 3, формирователь звуковых сигналов 9, модуль имитации шумов 11, устройство согласования 10, модуль калибровки 12, модуль управления программой 13, монитор инструктора 14, блок управления 3D очками 15, модуль моделирования движения машины 16, блок имитации визуальной обстановки 17.

На фиг.2 изображен вариант выполнения устройства согласования 10.

Устройство содержит устройство ввода- вывода дискретных сигналов 18, устройство ввода аналоговых сигналов 19, процессор 20.

На фиг.3 представлен вариант выполнения модуля моделирования движения машины 16, содержащий модуль моделирования шасси 21, модуль моделирования взаимодействия шасси с грунтом 22, модуль вычисления текущих координат шасси 23 и модуль определения параметров ДГУ (дорожно-грунтовых условий) под каждым колесом 24.

На фиг.4 изображен вариант выполнения блока имитации визуальной обстановки 17. Блок имитации визуальной обстановки содержит формирователь сигналов видео изображения 25, модуль управления видеокамерами 26, модуль интерфейсов программы 28, модуль основных видеокамер 29, модель внешней обстановки 30, модуль формирователя служебных окон 31 и модуль видеокамеры зеркала 32.

Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя 2 с акустической системой 3 и с аналоговыми 6 и дискретными 4 органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми 7 и дискретными 8 датчиками их положения, модуль имитации шума 11, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов 9, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы 3, блок имитации визуальной обстановки 17, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины 16, вторая группа выходов которого соединена с группой входов

имитаторов шумов 11, отличающийся тем, что он дополнительно содержит монитор инструктора 14, 3D очки 5 механически связанные с датчиками положения линии визирования 1, группа выходов которого соединена с первой группой входов блока управления 3D очками 1, устройство согласования 10, модуль калибровки 12 и модуль управления программой 13, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки 12 и со второй группой блока имитации визуальной обстановки 17, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки 12, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины 16, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования 10, выходы аналоговых датчиков 7 соединены с группой аналоговых входов устройства согласования 10, цифровая группа входов последнего соединена с выходами дискретных датчиков 8, а вторая группа выходов устройства согласования 10 соединена со второй группой входов модуля калибровки 12, третья группа входов модуля моделирования машины 16 соединена со второй группой выходов блока имитации визуальной обстановки 17, третья группа выходов которого соединена со второй группой входов блока управления 3D очками 15, первая, вторая и третья группа выходов которого соответственно соединена с группой входов 3D очков 5, монитора инструктора 14 и четвертым входом блока имитации визуальной обстановки 17.

Рабочее место водителя 2 представляет собой несущую металлоконструкцию, на которой установлены аналоговые органы управления 6, дискретные органы управления 4, дискретные датчики положения 8 и акустическая система 3. Рабочее место водителя 2 (установленное на нем сидение) обеспечивает подгонку позы водителя в соответствии со строением его тела, размещение органов управления осуществляется как на реальном автомобиле.

К аналоговым органам управления 6, относятся: руль автомобиля, педали тормоза, «газа» и сцепления. Эти органы управления механически связаны с датчиками 7 их положения. Датчиками педалей и рулевого колеса являются потенциометры оси, которых поворачиваются на угол пропорциональный перемещению органов управления.

Каждая педаль оснащена загрузочным устройством, создающим сопротивление движению ноги, аналогичное сопротивлению в реальном автомобиле. Это загрузочное устройство представляет собой пружину изменяющую усилие на педалях при их перемещении.

К дискретным органам управления 4, относится рычаг переключения передач. Датчиками 8 таких органов управления являются микропереключатели.

Тренажер работает следующим образом.

Подготовительная часть. Инструктор включает тренажер и на экране монитора появляется главное окно задач. С помощью манипулятора «мышь» и клавиатуры инструктор может переходить на выполнение любой задачи, представленной в главном окне. Например, занести данные на обучаемых, провести тестирование работы датчиков всех органов управления все это обеспечивает программный модуль 13 управления программой в совокупности с остальными блоками тренажера.

Обучаемый водитель, находящийся рабочем месте 2 тренажера воздействует, определенным образом, в зависимости от поставленной задачи, на органы управления. В результате чего, датчики 7 и 8, механически связанные с органами управления перемещаются и на их выходах формируются аналоговые напряжения, пропорциональные величине перемещения органов управления. Эти напряжения поступают на устройство согласования 10, с помощью которого они преобразуются в численные значения переменных, пропорциональных положению органов управления. В связи с тем, что потенциометрические датчики в процессе работы могут сбиваться, поэтому в процессе эксплуатации осуществляется контроль работы всех органов управления и при необходимости осуществляется калибровка органов управления. Для этого служит модуль калибровки 12, с помощью которого определяются минимальные и максимальные значения того или иного датчика и затем эти значения нормируются в диапазоне от 0 - минимум до 1 - максимум, в результате исключается снижения качества моделирования автомобиля в процессе эксплуатации тренажера. Для руля нормирование осуществляется в диапазоне от -1 до+1. Таким образом, достигается технический результат - повышение качества моделирования автомобиля, устранением недостатка п.2. Эти аналоговые переменные поступают через первую группу входов модуля 16 моделирования движения машины на модуль моделирования 21 шасси автомобиля (см. фиг.3), а через вторую группу входов на этот же модуль поступают переменные от дискретных датчиков.

Основу модели движения автомобиля составляют дифференциальные уравнения, как правило, с нелинейными правыми частями, описывающие движение агрегатов и узлов реальной машины во взаимодействии с грунтом и профилем местности. На основе этих уравнений создан программный модуль, моделирующий движение машины, который в совокупности с персональной ЭВМ представляет собой модуль 16 моделирования движения. В результате решения (интегрирования) дифференциальных уравнений вычисляются значения выходных переменных модели движения, основными из них:

1. крутящий момент двигателя;

2. частота вращения вала двигателя;

3. частота вращения колес автомобиля

4. линейная скорость движения машины;

5. угловая скорость поворота машины;

6. вертикальное перемещение подрессоренной части корпуса;

7. угол тангажа подрессоренной части корпуса;

8. угол крена подрессоренной части корпуса.

9. угол поворота рулевого колеса со стороны автомобиля в зависимости от условий движения моделируемого автомобиля.

Для обеспечения изменения сопротивления качению колес и изменения сцепления колес с грунтом при выезде каждого колеса на другой грунт в модуле 16 используются два дополнительных модуля модуль 23 вычисления текущих координат шасси и модуль 24 определения параметров дорожно-грунтовых условий (ДГУ) под каждым колесом. На первой группе выходов модуля 23 формируются координаты, описывающие пространственное положение шасси автомобиля, эти переменные с помощью модуля 26 (фиг.4) управляют положением основных камер 29 на моделируемой местности 30, т.е. осуществляется однозначная взаимосвязь положения автомобиля на местности. Следовательно, однозначно определяются параметры ДГУ под каждым колесом. Эти параметры через вторую группу выходов блока имитации визуальной обстановки 17 поступают на третью группу входов модуля 16 моделирования движения, в котором в модуле 24 определяются значения коэффициентов сопротивления и сцепления под каждым колесом в зависимости от типа грунта (например, асфальт, песок, гравий, и т.д.). В этом же модуле определяется и высота моделируемой поверхности местности, необходимой для моделирования колебаний машины. Таким образом - достигается технический результат, устраняется недостаток прототипа отмеченный в п.З.

Выходные переменные 1-2 модуля 16 через вторую группу выходов модуля 16 поступают на входы модуля имитации шума 11, который в совокупности с формирователем 9 (звуковая плата), преобразующим цифровой код в сигнал звуковой частоты и, при необходимости, усилитель для создания необходимого уровня шума, формирует аналоговое напряжение звуковой частоты. В результате обучаемый водитель слышит в наушниках или через динамики (акустическая система 3), установленные на рабочего места водителя 2, шум двигателя в зависимости от режима работы моделируемой машины.

Программный модуль имитации шума двигателя 11 выполняется следующим образом. На реальной машине производится запись шумов на нескольких характерных режимах, например, начиная с минимально устойчивой частоты вращения вала двигателя и кончая максимальной через равные промежутки по частоте вращения вала двигателя. Далее

такая же запись осуществляется только при другой нагрузке на двигатель. В результате получается конечное число фрагментов записи шума на месте водителя. Затем эти фрагменты оцифровываются на компьютере, и с помощью выходных переменных модуля 16 моделирования движения, эти фрагменты выбираются и с помощью звуковой платы преобразуются в аналоговый сигнал шума двигателя. Промежуточные значения между фиксированными частотами вращения вала двигателя, при которых производилась запись шума, интерполируется за счет сдвига основных частот спектра оцифрованного шума. Таким образом, имитируемый шум в заявляемом тренажере практически соответствует реальному шуму и чем больше оцифрованных фрагментов, тем он ближе к реальному.

Выходные переменные 4-8 модуля 16 характеризуют параметры движения машины на местности, они формируются в модуле 16 с помощью модуля 22 взаимодействия шасси с грунтом, затем в модуле 23 вычисляются текущие (в каждый момент времени) координаты перемещения шасси во всех степенях свободы. Такие переменные могут быть, например, вычислены с помощью направляющих косинусов. Затем они через первую группу выходов модуля 16 моделирования движения, поступают на первую группу входов блока 17 имитации визуальной обстановки. Эти переменные, с помощью модуля 29 управляют положением виртуальных камер 29 и 32 на моделируемой местности. Местность воспроизводится программным способом с помощью 3D графики.

Вариантов исполнения блока 17 имитации визуальной обстановки известно довольно много, их можно видеть практически во всех компьютерных играх, в которых используется 3D графика. Как вариант исполнения блока 17 имитации визуальной информации, представлен на фиг.4.

Модуль 26 управления видеокамерами управляет положением основных 29 видеокамер и камерой 32 зеркала заднего вида. Т.к. в предлагаемом техническом решении предлагается создание объемного (стереоскопического) изображения, используются две виртуальные основные видеокамеры, рассоложенные по горизонтали на «межглазном расстоянии» таким образом, чтобы правый и левый глаз человека видел свое изображение как это существует в реальной жизни. Эти камеры совместно с модулем 28 интерфейсов программы (программно) и формирователем 25 сигналов видео изображения (аппаратно) обеспечивают на выходах последнего сигналы видеоизображения каждой камеры. Эти сигналы поступают на блок 15 управления 3D очками (стандартный блок, всегда поставляется в комплекте с 3D очками), который обеспечивает необходимые параметры включения левого и правого мониторов 3D очков 5, обеспечивая тем самым стереоскопическое изображение местности и предметов внутреннего интерьера автомобиля на котором обучается водитель. В результате исключается недостаток прототипа п.1.1.

В прототипе обучаемый водитель видит изображение дороги на местности только в направлении в котором «смотрит» основная видеокамера и не может видеть изображение повернув голову влево-вправо, вверх-вниз, что существенно снижает качество обучения водителей (недостаток прототипа п.1.2.) для исключения этого недостатка в корпус 3D очков 5 устанавливаются датчики положения линии визирования 1, обеспечивающие наличие сигналов, пропорциональных повороту линии визирования в горизонтальной плоскости на 360 градусов и в вертикальной плоскости на ±60 градусов (как правило, такие датчики конструктивно установлены в очках, предлагаемых к продаже). Эти сигналы в блоке 15 управления 3D очками преобразуются в переменные пропорциональные направлению взгляда обучаемого водителя. Через четвертую группу входов блока 17 имитации визуальной обстановки они поступают на модуль 29 основных видеокамер поворачивая их на величину соответствующую линии визирования взгляда водителя относительно положения вычисленного в модуле 16 моделирования движения машины и определяемого модулем 26 управления видеокамерами. Следовательно, данное техническое решение позволяет обеспечить обучаемому водителю круговой обзор в горизонтальной плоскости и значительно увеличить обзор в вертикальной плоскости, что в свою очередь существенно повысит качество обучения водителей на тренажере.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет исключить недостатки тренажера прототипа и повысить его эффективность. Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР №1728875 Мкл G09В 9/04

2. Свидетельство на полезную модель №24032 Мкл G09В 9/04

3. Патент на полезную модель №31033 Мкл G09В 9/04

Тренажер для обучения водителя автомобиля, содержащий рабочее место водителя с акустической системой и с аналоговыми и дискретными органами управления механически связанными соответственно с аналоговыми и дискретными датчиками их положения, модуль имитации шумов, группа выходов которого соединена с группой входов формирователя звуковых сигналов, группа выходов которого соединена с группой входов акустической системы, блок имитации визуальной обстановки, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля моделирования движения машины, вторая группа выходов которого соединена с группой входов имитаторов шумов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит монитор инструктора, 3D очки, механически связанные с датчиками положения линии визирования, группа выходов которого соединена с первой группой входов блока управления 3D очками, устройство согласования, модуль калибровки и модуль управления программой, первая и вторая группы выходов которого соответственно соединены с первой группой входов модуля калибровки и со второй группой блока имитации визуальной обстановки, третья группа входов которого соединена с первой группой выходов модуля калибровки, вторая группа выходов которого соединена с первой группой входов модуля моделирования движения машины, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов устройства согласования, выходы аналоговых датчиков соединены с группой аналоговых входов устройства согласования, цифровая группа входов последнего соединена с выходами дискретных датчиков, а вторая группа выходов устройства согласования соединена со второй группой входов модуля калибровки, третья группа входов модуля моделирования машины соединена со второй группой выходов блока имитации визуальной обстановки, третья группа выходов которого соединена со второй группой входов блока управления 3D очками, первая, вторая и третья группа выходов которого соответственно соединена с группой входов 3D очков, монитора инструктора и четвертым входом блока имитации визуальной обстановки.